泰爾斯(5)〈科學之父〉 江銘輝 五夢網
(5) 兩三角形,它們的“兩角夾一邊”若分別相等,則兩三角形全等
尤德莫斯在〈幾何學史〉中,將這定理的證明歸功於泰爾斯,並說他利用這定理測出從船隻到岸邊的距離。至於怎麼測法?尤德莫斯沒有敘述。數學史家們作過多種猜測,其中有一種猜測如下:
如圖12,為求岸上A點到船舶B點之距離,我們延著A,作AB之任意長度之垂線AC,並取AC的中點D。
在C作一線CE垂直於AC,方向與AB相反,延長至一點E,使E、D、B三點共線。
則因為AD=DC,且∠ADB=∠EDC,所以直角三角形ABD與直角三角形EDC全等。所以CE與AB等長。
圖12:泰爾斯利用兩三角形全等的定理測出船舶離岸的距離
四、測出金字塔的高度
泰爾斯另一項為人津津樂道並備受讚揚的成就,是他在埃及旅遊時,不用許多測量工具,僅僅在金字塔影子的端點處樹立一根柱子,借助太陽的光線,利用兩個相似三角形的比例關係,測出金字塔的高度。贏得埃及二十六王朝法老亞默士二世(AhmoseⅡ,在位西元前570-526)龍心大喜,讚賞不已。這件事最早由亞理斯多德的徒弟海隆尼莫斯(Hieronymus,西元前4-3世紀)記載,羅馬學者普利尼(Pliny,西元23-79年)也有類似的說法。
泰爾斯所使用的方法如下:
如圖13,泰爾斯利用金字塔與塔的影子所形的大三角形ABD和柱子與柱影所形成的小三角形DCE是相似三角形。
在這種情形下,用AB代表金字塔的高度,CD代表柱的長度,BD是金字塔的塔影,DE是柱影。所以我們得到:
AB/BD= DC/DE..............(1)
泰爾斯事先測出BD、DC與DE的長度。再利用(1)式算出:
AB=(DC´BD )/DE
也就是說,金字塔的高度=5=柱高´金字塔的塔影/柱影
圖13:泰爾斯測量金字塔的高度
(五) 發現天然磁石能吸鐵
有一種鐵礦,它能吸鐵,就像慈母戀子一樣,中國人稱它為「磁石」,磁石的吸鐵力量稱為磁力(圖14)。
圖14:天然磁石可吸引鐵
至於西方,“磁”(Magnetic)一詞的由來,係因在古希臘時,磁石產於小亞細亞的美格尼西亞(Magnesia)而得名的。今日,雖然大多數的人認為磁石是由一位牧羊人在牧羊時無意中發現的,但傳說中泰爾斯也是早期許多發現「天然磁石能吸引鐵塊」的其中之一人。在古希臘,靈魂是有生命,泰爾斯為嘗試解釋磁鐵為什麼能吸引鐵塊,給予無生命物質也附予靈魂,他說:「磁鐵是有“靈魂”的,所以才能吸引鐵塊。」磁鐵的神奇力量不只是吸住鐵罷了,它還有兩性,若將一條磁棒懸起,它會指向地球南北方向,通常我們將指向北極方向的一端稱為N極,另一端會指向地球的南極,我們稱之S極(如圖15)。
圖15:懸在空中的磁鐵會指向地球的南、北方向。指向北極的稱為N極。
為什麼會有這種現象呢?在發現磁鐵的時代並無法解釋清礎,英國人吉爾伯特(William Gilbert,1540~1603年)(圖16)最先想到地球大概也是一塊大磁石。
圖16:吉爾伯特(英國人,西元1540~1603年)原來是醫生,曾擔任英國女王伊莉莎白的御醫。
1600年發表〈論磁〉一書,敘述了他在電學和磁學方面的研究工作。在磁學方面,他發現地球本身是一個巨大的磁體,在電學方面,他發現琥珀、玻璃等物質摩擦後皆能吸引輕小物體,將它命名為電(electron)。
為了要用實驗來證實這個構想,他以天然磁石為材料製作了一個類似地球的球形磁石。然後試著把小磁針接近這個圓磁石,磁針竟然立刻指向球形磁石的磁極方向。簡直就像是在地球上磁針指向地球的磁極一樣。這個簡單的實驗證明了地球是一塊大磁石,它以南、北兩極為磁極。事實上,地球的南極、北極(即地球的自轉軸的南、北兩端)和地球磁場的南、北極是稍微不同的(如圖17)。
圖17:地球自轉的南北極和羅盤的磁針所指的南北方向稍微不同。
此外,磁石同時還有一種特性,那就是同性極相斥,異性極相吸。也就是說,假如磁石的N極接近另一磁石的N極,它們之間會產排斥力。同樣地兩個S極之間也有排斥力存在,但一個N極與一個S極之間的力是吸引力(圖18)。
圖18:磁石有同極相斥,異極相吸的特性。
(七) 發現摩擦後的琥珀能吸引輕微的物體
除了發現磁石能吸引鐵塊外,泰爾斯也用布摩擦一種稱為琥珀的透明樹脂化石,他發現被摩擦的琥珀有吸引輕微物體的能力。這是歷史上第一個發現摩擦生電的例子。琥珀的英文名叫electron,今日英文的electricity(電)是從electron一詞演變而來,但這個名詞並不是泰爾斯所取的,它是吉伯特在研究物體摩擦生電後,所取的名詞。至於中文的“電”字,則來自篆書,它表示閃電的形狀。除了摩擦後的琥珀可吸引輕微的物體外,吉伯特更進一步發現,毛皮摩擦橡膠棒、絲絹摩擦玻璃棒,也有吸引輕微物體的能力。今日人們已知道這完全是靜電摩擦的現象。當兩物體互相摩擦後,一個物體會失去電子成為帶正電荷的物體,另一個物體會獲得電子成帶負電荷的物體(圖19)。帶不同電荷的兩物體將會互相吸引,帶相同電荷者,將互相排斥。
圖19:毛皮摩擦橡膠棒,會互相吸引,因為兩者摩擦後,毛皮會失去電子帶正電,橡膠棒會獲得電子帶負電。